Аквапорины
СПРАВОЧНИК НЕВРОЛОГА
ВВЕДЕНИЕ
Вода составляет примерно 70% массы большинства живых организмов. Однако содержание ее внутри и вне клетки различно, и, как ни странно, клетка вынуждена строго регулировать поступление этого «универсального» растворителя. Этой цели служат специальные белки клеточной мембраны - аквапорины.
Зачем же клетке так тщательно заботиться о количестве такого, казалось бы, безвредного вещества, как вода? Оказывается, регуляция водного баланса внутри клеток влияет на их способность выполнять специфическую функцию, необходимую для жизни всего организма. Регулируя поступление воды и тем самым свой объем, нервные клетки, например, влияют на состояние ионных каналов, передающих нервные импульсы.
Концентрация солей, жиров, белков и углеводов внутри клетки превышает таковую снаружи, а это значит, что относительное количество воды в ней меньше, чем в тканевых жидкостях. Клетка испытывает постоянное давление воды, которому должна сопротивляться в течение всей жизни. Если сравнить под микроскопом мертвую и живую клетки из одной и той же ткани, можно сразу же заметить, что мертвая значительно больше: это вода вошла внутрь и «раздула» ее (Laesus De Liro - аналогия - отек ткани, клеток, головного мозга на фоне острой очаговой ишемии [инфаркта ткани мозга] или диффузный отек [набухание] головного мозга на фоне острых метаболических нарушений и т.д.).
Хотя некоторое количество воды способно пассивно (простой диффузией) проникать через липидные слои, составляющие основу клеточных мембран (а также путем котранспорта через транспортеры электролитов и глюкозы), скорость и интенсивность такого водообмена явно недостаточна. Следовательно, клетке необходим специальный механизм для регуляции водных потоков. Такой механизм должен к тому же быть очень специфичным, чтобы вместе с молекулой воды не проникали вредные водорастворимые (гидрофильные) соединения, которые могут повредить ДНК, клеточные белки, либо блокировать внутриклеточные реакции.
Удовлетворению этих потребностей служит семейство мембранных каналообразующих белков (специфические системы транспорта воды), которые обеспечивают быстрый транспорт воды через биологические мембраны. Эти белки называют аквапоринами, они обнаружены у всех живых организмов. Открыты аквапорины были 30 лет назад, и с тех пор исследователи со всего мира пристально изучают их структуру и функции.
СТРУКТУРА АКВАПОРИНОВ
Существование водных каналов, пронизывающих мембраны клеток, постулировалось различными авторами с 1950-х годов, но молекулярные механизмы трансмембранного движения воды оставались неясными до работ P. Agre, который в 1988 г. открыл внутримембранный белок массой 28 kDa, идентифицированный как аквапорин 1 (AQP1). В 2003 г. P. Agre за исследование водных каналов была присуждена Нобелевская премия. Сегодня известно около 200 различных аквапоринов (Agre P. et al., 2003), формирующих водные каналы в клеточных мембранах всех живых существ. Нумерация аквапоринов, начиная с AQP 1, связана с последовательностью их открытия.
Аквапорины - гидрофобные трансмембранные белки (отдельные мономеры) массой от 26 до 34 kDa, формирующие гомотетрамеры. Отдельные мономеры состоят в среднем из 270 аминокислотных остатков (Титовец, 2007). Каждый мономер формирует отдельную водную пору. Проницаемость мономеров не меняется при их ассоциации в [гомо]тетрамер. В центре тетрамера также имеется пора, роль которой окончательно не установлена. Имеются предположения, что пора представляет собой лиганд-зависимый ионный канал.
Полипептидная цепь мономера пронизывает мембрану шесть раз, N- и C-концы обращены внутрь клетки. Концевые участки являются мишенями посттрансляционной модификации. Участки цепи, находящиеся в мембране (т.е. пронизывающие мембрану шесть раз) образуют 6 α-спиралей, которые наклонены под углом примерно 25 градусов по отношению к плоскости мембраны. Между N- и C-половинами молекулы наблюдается высокая степень гомологии, что может быть следствием древней дупликации аквапоринового гена. На соединительных петлях B и E практически у всех представителей семейства аквапоринов имеется консервативный мотив, состоящий из 3 аминокислот: аспарагина, пролина и аланина (NPA-мотив). Петли B и Е несут короткие α-спиральные домены, которые погружены в мембрану. Эти домены принимают участие в формировании высокоселективного канала для воды (проницаемость аквапоринов высока: 3х10*9 молекул воды в секунду на мономер, но при этом очень избирательна). Данная модель мономера аквапоринов получила название модели «песочных часов» (hourglass model).
Подробнее о строении и функционировании аквапоринов в следующих источниках:
статья «Лауреаты Нобелевской премии 2003 года по химии (Нобелевская премия по химии за 2003 г. присуждена Р. Мак-Киннону и П. Эгру за открытия, касающиеся переноса ионов и молекул воды через клеточную мембрану)» Белянова Л.П., кандидат химических наук, Москва (журнал «Природа» №1, 2004) [читать] или [читать];
сообщение «Аквапорины - белки водных каналов» Новости науки, 15.09.02 (scientific.ru) [читать] или [читать];
статья (обзор) «Аквопорины и гипервазопрессинеия» И.Н. Кабанов, Л.П. Чурилов; Кафедра патологии Медицинского факультета Санкт-Петербургского государственного университета (журнал «Медицина XXI век» № 5(6), 2007) [читать]
В отношении функциональной активности аквапоринов можно сделать следующие выводы (Шапигузов, 2004): [1] В присутствии аквапоринов скорость транспорта воды и некоторых других неэлектролитов через мембрану возрастает, а энергия активации этого процесса снижается. [2] Транспорт через аквапорины протекает с одинаковой скоростью в обоих направлениях при одинаковой разности химических потенциалов переносимого вещества по разные стороны мембраны. [3] Транспорт через аквапорины является пассивным. [4] Для аквапоринов характерна селективность. Транспорт незаряженной молекулы через пору мономера не сопровождается переносом ионов, в том числе и протонов. [5] Некоторые аквапорины ингибируются соединениями тяжелых металлов (Hg, Ag, Au, Cu, Ni).
Классификация аквапоринов основана на их специфичности по отношению к транспортируемым молекулам и аминокислотной последовательности. Первая группа включает собственно аквапорины специфичные по отношению к воде. К этой группе относятся следующие аквапорины млекопитающих AQP0, AQP1, AQP2, AQP4, AQP5, AQP6 и AQP8. Вторая группа включает акваглицеропорины. Различные представители этой группы в разной степени проницаемы для воды, но дополнительно проницаемы для других малых неэлектролитов, в первую очередь для глицерола и мочевины. К этой группе относятся 4 аквапорина млекопитающих (AQP3, AQP7, AQP9 и AQP10) (Титовец, 2007). Транспортные свойства AQP11 и AQP12 (супераквапоринов) к настоящему времени исследованы недостаточно. В головном мозге определяются AQP1,AQP3, AQP4, AQP9, AQP11.
подробнее в статье «Роль аквапоринов в транспорте воды через биологические мембраны (обзор литературы)» А.В. Крысова, В.И. Циркин, А.А. Куншин; Вятский государственный гуманитарный университет; Казанский государственный медицинский университет (журнал «Вятский медицинский вестник» №2, 2012) [читать]
Нарушения экспрессии аквапоринов важны в этиологии и патогенезе большого числа патологических процессов. Дефект различных аквапоринов является причиной (этиологическим фактором) нарушения водного баланса мозга, некоторых случаев бронхиальной астмы, нарушения реабсорбции воды в кишечнике и почках, глаукомы, катаракты, нарушения продукции слюны, недостаточного потоотделения и так далее.
АКВАПОРИНЫ И ЦЕРЕБРАЛЬНЫЙ ОТЕК
За последнее десятилетие в области изучения патогенеза церебрального отека был достигнут значительный прогресс благодаря открытию аквапоринов и выяснению их роли в водном обмене структур головного мозга в норме и при патологии. Ранее при описании механизмов отека головного мозга речь шла, в общем, о накоплении воды вследствие нарушения проницаемости гематоэнцефалического барьера, деструкции клеточных мембран и т. д., при этом не было представления о конкретных молекулярных механизмах нарушения водного обмена. Согласно новому фундаментальному знанию, водный обмен головного мозга осуществляется при непосредственном участии аквапоринов AQP1, AQP4 и AQP9. Эти водные каналы поддерживают водный гомеостаз, пространственно организуют и обеспечивают облегченный транспорт воды между основными водными компартментами головного мозга: [1] водой крови и жидкостью паренхимы головного мозга; [2] внутриклеточной и внеклеточной жидкостью; [3] цереброспинальной жидкостью (ЦСЖ) желудочков и водой субарахноидального пространства. Основная нагрузка при этом ложится на аквапорины AQP1 и AQP4, однако их функциональная роль в физиологических и патологических условиях различна. Все аквапорины свободно переносят воду как в прямом, так и в обратном направлении в зависимости от направления вектора осмотического или гидростатического давления. От уровня их экспрессии в плазматической мембране клетки, а также от уровня их активности зависит величина водного потока. В отличие от AQP4 аквапорины AQP1 и AQP9 являются переносчиками не только воды, но и газов, а также других важных биорегуляторов и метаболитов.
AQP1 представляет собой количественно преобладающий водный канал эпителия хориоидального сплетения. Здесь он экспрессируется в апикальной мембране клеток хориоидального сплетения и играет главную роль в продуцировании ЦСЖ. Считается, что в норме в остальной части головного мозга AQP1 отсутствует или его экспрессия невысока. Вместе с тем биохимические и гистохимические исследования по идентификации AQP1 на секционном материале нормального мозга человека позволили обнаружить относительно небольшое количество AQP1 примерно в 33% микрососудов головного мозга. Интересно отметить, что в эндотелии кровеносных сосудов вне головного мозга AQP1 экспрессируется в большом количестве и определяет интенсивность гистогематического обмена воды. В целом вопрос об уровне его экспрессии в клетках эндотелия микрососудов головного мозга остается открытым. По-видимому, наличие неоднозначных данных о распределении AQP1 в тканях головного мозга связано с тем, что многие патологические состояния, начиная с гипоксии, сопровождаются активацией экспрессии этого канала в эндотелии микрососудов. Так, аквапорин AQP1 экспрессируется в большом количестве в эндотелии микрососудов астроцитомы человека и митостатических карциномах. Он обнаруживается также в эндотелии микрососудов глиобластом. Экспрессия AQP1 возрастает при опухолях хориоидального сплетения, что сопровождается повышением продуцирования ЦСЖ.
AQP4 является самым активным водным каналом. В центральной нервной системе он обнаруживается в астроцитах всех отделов головного и спинного мозга и клетках эпендимы, выстилающей желудочки. Его экспрессия избирательна, вследствие чего AQP4 локализуется лишь в определенных субклеточных структурах. В астроцитах, где отмечается высокополяризованное субклеточное распределение AQP4, он сосредоточен в оконечных ножках астроцитов и базолатеральных областях плазматической мембраны ограничивающей глии, т. е. на поверхностях разделов кровь-паренхима или ЦСЖ-паренхима головного мозга. Обычно этот аквапорин организован в так называемые ортогональные структуры. Концевые отростки ножек астроцитов, где сосредоточен AQP4, находятся в тесном контакте с мозговыми микрососудам, а также с синапсами. Именно AQP4 в концевых отростках астроглиальных клеток определяет проницаемость к воде гематоэнцефалического барьера.
читайте также пост: Нейроваскулярная единица (на laesus-de-liro.livejournal.com) [ читать]
AQP4 обеспечивает быстрое локальное перемещение воды из периваскулярного пространства (вследствие увеличения уровня экспрессии AQP4), что лежит в основе механизма контроля как собственно объема периваскулярного пространства, так и регуляции скорости церебральной перфузии (например, при астроцитоме уровни экспрессии AQP4 в перитуморозной области, по данным магнитнорезонансной томографии [МРТ], коррелируют с зоной распространения отека). Наличие коррелятивных взаимоотношений между экспрессией AQP4 и выраженностью отека установлено также при ишемии, травме головного мозга и субарахноидальных кровоизлияниях. Важная роль AQP4 в патогенезе церебрального отека была экспериментально обоснована и однозначно доказана многочисленными исследованиями. При этом AQP4 выполняет бимодальную функцию в патогенезе церебрального отека, и его конкретная роль зависит от того, какой отек преобладает - вазогенный или цитотоксический. При вазогенном отеке процесс реабсорбции жидкости может быть ускорен путем повышения уровня экспрессии AQP4, а развитие цитотоксического отека на ранних стадиях ишемии может быть предотвращено путем понижения активности этого аквапорина.
Обратите внимание! Следует помнить о том, что высокоспецифические аутоантитела к AQP4 (NMO-IgG) вызывают демиелинизирующие поражения ЦНС, при которых клинически наблюдается преимущественное поражение зрительных нервов и/или спинного мозга («спектр оптикомиелит-ассоциированных расстройств» - neuromyelitis optica spectrum disorders, или NMOSD). Также AQP4 учавствует в функционировании глимфатической система головного мозга.
Читайте также:
пост «Спектр оптикомиелит-ассоциированных расстройств» (на laesus-de-liro.livejournal.com) [ читать];
статью «Глимфатическая система головного мозга: функциональная анатомия и клинические перспек-тивы» Николенко В.Н., Оганесян М.В., Яхно Н.Н., Орлов Е.А., Порубаева Э.Э., Попова Е.Ю.; ФГАОУ ВО «Первый Московский государственный медицинский университет имени И.М. Сеченова» МЗ РФ, Москва; ФГБОУ ВО «Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова», Москва (журнал «Неврология, нейропсихиатрия, психосоматика» №4, 2018) [читать]
Роль AQP9, который экспрессируется в астроцитах и катехоламинэргических нейронах, не ограничивается только функцией транспорта воды. Этот аквапорин принимает участие в энергетическом обмене головного мозга, обеспечивая перенос лактата, глицерина и других энергетических субстратов. Следует отметить, что экспрессия AQP9 зависит от концентрации инсулина. При ишемии уровень экспрессии этого аквапорина повышается, и имеются указания на то, что AQP9 может принимать участие в утилизации лактата, накапливающегося при ишемии головного мозга. В отличие от AQP4, AQP9 не отводится основная роль в патогенезе отека.
Подробнее об аквапоринах и церебральном отеке в следующих источниках:
статья «Церебральный отек и современные направления его лечения» Э.П. Титовец, А.Ф. Смеянович; Республиканский научно-практический центр неврологии и нейрохирургии, Минск, Беларусь (журнал «Вестник национальной академии наук Белоруссии» №1, 2011) [читать];
статья «Клиническая патофизиология отека головного мозга (часть 1)» А.А. Задворнов, А.В. Голомидов, Е.В. Григорьев; ГАУЗ КО «Областная детская клиническая больница», г. Кемерово; ФГБУ «НИИ комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний», г. Кемерово (журнал «Вестник анестезиологии и реаниматологии» №3, 2017) [читать];
статья «Клиническая патофизиология отека головного мозга (часть 2)» А.А. Задворнов, А.В. Голомидов, Е.В. Григорьев; ГАУЗ КО «Областная детская клиническая больница», г. Кемерово; ФГБУ «НИИ комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний», г. Кемерово (журнал «Вестник анестезиологии и реаниматологии» №4, 2017) [читать];
[для подписчиков журнала «Вестник национальной академии наук Белоруссии»] статья «Коррекция нарушений церебрального водного обмена» Э.П. Титовец, А.Ф. Смеянович, П.В. Козич; Республиканский научно-практический центр неврологии и нейрохирургии, Минск, Беларусь (журнал «Вестник национальной академии наук Белоруссии» №1, 2019) [перейти]